1.熱應(yīng)力

工件快速冷卻過程中表層先冷，中心后冷，始終存在表心溫差。在冷卻初期表層溫度的下降比心部快，表層的較大收縮受到心部的牽制，表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，心部產(chǎn)生壓應(yīng)力。在繼續(xù)冷卻時(shí)表心溫度繼續(xù)增大，使表面的拉應(yīng)力和心部壓應(yīng)力繼續(xù)增加。

當(dāng)應(yīng)力增大到一定溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)，便造成表面伸長和心部壓縮的塑性變形，使截面上的應(yīng)力得到一定程度的松弛，在進(jìn)一步冷卻過程中，表層溫度下降的速率已不如心部快，心部比表面有較大的收縮，使表層的拉應(yīng)力和心部的壓應(yīng)力趨于降低，并在冷卻最后階段出現(xiàn)熱應(yīng)力反向，即表層為壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力。此時(shí)因溫度已很低，屈服強(qiáng)度已顯著升高，鋼件內(nèi)應(yīng)力不能再引起塑性變形，所以這種應(yīng)力狀態(tài)被保留下來而成為殘留應(yīng)力。

2．組織應(yīng)力

鋼件經(jīng)高頻感應(yīng)退火電源淬火時(shí)的組織應(yīng)力主要是由于溫差造成馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間差而引發(fā)的。上圖表示在全淬透的情況下假設(shè)不存在熱應(yīng)力時(shí)圓柱體的組織應(yīng)力演變過程。在t1至t2之間，表面溫度降至Ms點(diǎn)以下，心部溫度尚處于Ms點(diǎn)以上，表層形成馬氏體發(fā)生體積膨脹受到未轉(zhuǎn)變的心部的牽制，在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，心部產(chǎn)生拉應(yīng)力。上圖中的右邊的曲線表示在彈性狀態(tài)下組織應(yīng)力的變化。圖中同時(shí)表示出鋼屈服強(qiáng)度的變化。此時(shí)心部尚處于強(qiáng)度較低和塑性較高的奧氏體狀態(tài)，心部拉應(yīng)力和表層壓應(yīng)力分別超過了該溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)將產(chǎn)生塑性變形，使應(yīng)力松弛（見上圖)。繼續(xù)冷卻到t2之后，心部溫度降至Ms以下，心部發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變引起體積膨脹。由于表層已轉(zhuǎn)變成強(qiáng)度高塑性低的馬氏體，不能產(chǎn)生塑性變形，以致最終造成表面為殘留拉應(yīng)力，心部為殘留壓應(yīng)力。

3.淬火鋼中的殘留應(yīng)力

淬火鋼件的殘留應(yīng)力場是殘留熱應(yīng)力與殘留組織應(yīng)力互相疊加的結(jié)果，可能出現(xiàn)下圖所示的幾種情況。圖中第一組曲線，是冷卻過程沒有發(fā)生相變，出現(xiàn)熱應(yīng)力型的殘留應(yīng)力分布；第二個(gè)是組織應(yīng)力抵消了一部分熱應(yīng)力，成為以熱應(yīng)力為主的殘留應(yīng)力分布；第三個(gè)是過渡狀態(tài)；第四個(gè)中的組織應(yīng)力超過了熱應(yīng)力形成組織應(yīng)力型的殘留應(yīng)力；第五個(gè)為組織應(yīng)力的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熱應(yīng)力的情況，最后一類的殘留應(yīng)力狀態(tài)常常是引起淬火鋼中縱向裂紋的原因。

當(dāng)鋼件利用高頻感應(yīng)退火電源未淬透時(shí)，還存在因淬硬層與未淬硬的心部之間的比容差而引起的應(yīng)力。二者的比容差通常使淬硬層趨向應(yīng)壓力狀態(tài)，而未淬硬芯部處于拉應(yīng)力狀態(tài)。在淬硬與未淬硬的過渡區(qū)，應(yīng)力發(fā)生突變。當(dāng)淬硬層較厚時(shí)，表面壓應(yīng)力減小而心部截應(yīng)力增大。一些高碳鋼利用高頻感應(yīng)退火電源進(jìn)行淬火時(shí)，在淬硬與未淬硬過渡區(qū)中形成的橫向弧形裂紋正是由于在過渡區(qū)中這種拉應(yīng)力最大值而引起的。